Проблемы переработки и утилизации многотоннажных отходов алюминиевой промышленности и пути их решения (обзор).. Статья 1. А. В. Троицкий Проблемы переработки и утилизации многотоннажных отходов алюминиевой промышленности и пути их решения (обзор)

• Название: А. В. Троицкий Проблемы переработки и утилизации многотоннажных отходов алюминиевой промышленности и пути их решения (обзор)
• Анкор: Проблемы переработки и утилизации многотоннажных отходов алюминиевой промышленности и пути их решения (обзор)
• Дата: 04.07.2022
• Размер: 145.44 Kb.
• Имя файла: Статья 1.docx
• Тип: Документы; #624183
• страница: 1 из 3

Д.т.н. С.И. Иванков

А.В. Троицкий

Проблемы переработки и утилизации многотоннажных отходов алюминиевой промышленности и пути их решения (обзор).

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 3

1. Современные методы переработки и утилизации отходов алюминиевой промышленности. 5

2. Способы утилизации отработанной футеровки электролизеров алюминиевого производства. 11

3. Извлечение ценных компонентов из отходов алюминиевого производства. 20

4. Проблемы утилизации и складирования углеродсодержащих отходов производства алюминия. 24

Список литературы 34

Введение

В настоящее время в мировой практике обра­зовалась как самостоятельная отрасль промышлен­ности - вторичная металлургия алюминия и его сплавов. Ее целью является промышленная пере­работка алюминиевого лома и отходов на сортовые сплавы. Это связано с тем, что по сравнению с про­изводством первичного алюминия алюминиевая рециркуляция имеет существенные преимущества, которые заключаются в более низких издержках производства и в значительном снижении потре­бляемой энергии.

Организация подобного производства крайне необходима в странах с развитой инфраструктурой машиностроения, автомобилестроения, тракторо­строения, приборостроения и других отраслей.

Развитие промышленного производства предъяв­ляет к металлургии повышенные требования к каче­ству литых заготовок, поэтому простой переплав вторичного сырья становится недостаточно эффек­тивным. Проблему переработки вторичных мате­риалов необходимо решать комплексным подходом с применением прогрессивных и наукоемких техно­логий, обеспечивающих стабильно высокое качество производимых сплавов. Во многих странах уровень рециклинга алюминия и его сплавов поставлен та­ким образом, что производимые сплавы по качеству не уступают их первичным аналогам [1].

Неуклонное увеличение выбросов вредных веществ, вызванное ростом промышленного производства России за последние 10 лет, при­вело к существенному загрязнению окружающей среды в сравнении с ситуацией на конец XX века. Алюминиевая промышленность характе­ризуется значительными объемами выбросов в окружающую среду загрязняющих веществ. Производство алюминия несет потери фтора в размере около 18 кг на тонну производимого металлического алюминия.

Признано, что по влиянию на растительный покров соединения фтора являются одними из самых токсичных. Фторосодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных со­единений - фторида водорода или пыли фтори­стых соединений, в основном при производстве металлического алюминия, минеральных удобре­ний, стекла, фторорганических соединений, а также при разложении фторидных веществ.

В отличие от зарубежных заводов по производству металлического алюминия оте­чественные предприятия характеризуются устаревшей технологией производства и срав­нительно низким уровнем утилизации выде­ляющихся вредных веществ. Технология с ис­пользованием самообжигающихся анодов имеют высокие удельные выбросы фторидов, пыли и органических соединений. По имею­щимся данным, в воздухе производственного корпуса алюминиевых заводов содержание HF достигает величины около 0,3 мг/м³.

Истощение запасов природного мине­рального сырья приводит к задачам ресурсо­сбережения. С точки зрения экологии идеаль­ная организация производства предполагает использование побочных продуктов и отходов одного предприятия на других. Задачи экологии и ресурсосбережения во многом совпадают и объединяются в единую глобальную ресурсо­экологическую задачу. Таким образом, утили­зация техногенных отходов является комплекс­ной ресурсоэкологической проблемой [2].

В мировой практике в связи с резким развитием технического прогресса образуется огромное количество вторичного сырья цветных металлов, в частности, алюминия. Сегодня алюминий является наиболее технологич­ным металлом для вторичной переработки. Алюминий может быть переработан снова и снова без потери его физических и механических свойств [3].

Важным аспектом повышения эффективности производства алюминия является ресурсосбережение и рациональное природопользование, которое обуславливается развитием комплексных способов утилизации отходов алюминиевого производства [4].

1. Современные методы переработки и утилизации отходов алюминиевой промышленности.

В индустрии вторичной переработки алюминиевых отходов работают сотни заводов и тысячи дилеров по всему миру. Главным потребителем вторич­ного алюминия является автомобильная промышленность. Сегодня 60 процентов алюминия, используемого в автомобилях, представляет со­бой вторичные алюминиевые сплавы. Ожидается, что в ближайшие годы доля вторичных алюминиевых сплавов будет неуклонно расти. По прогно­зам аналитиков, в будущем, вторичный алюминий будет составлять 90 процентов от алюминия, используемого в автомобильной промышленно­сти. В последнее время наблюдается тенденция роста потребления вторич­ных алюминиевых сплавов и внутри нашей страны. Крупнейшие потреби­тели сплавов активно внедряют в свое производство вторичные сплавы, заменяя ими более дорогостоящие первичные.

Не весь металл, используемый в производстве, переходит в готовую продукцию - часть уходит в отходы, а часть - безвозвратно теряется.

Лом и отходы алюминия, формируются во всех отраслях промышленно­сти, потребляющих как непосредственно цветные металлы, так и изделия и оборудование, содержащее алюминий.

Отходы алюминия и его сплавов в основном образуются при производ­стве:

• 
  металлов и сплавов (шлаки, сплесы, съемы, сор и т.п.);
  
• 
  проката и экструзии (концы, обрезки, опилки, обдирочная стружка);
  
• 
  фасонного литья (шлаки, литники, выпоры, сплесы);
  
• 
  кабельной продукции (концы и обрезь кабеля и проволоки, путанка).
  

Амортизационный лом получается в результате ликвидации основных средств (оборудования) в промышленности, на транспорте, в строительст­ве и сельском хозяйстве, при капитальном и текущем ремонте оборудова­ния, агрегатов и конструкций; вследствие износа или прекращения пользо­вания домашнего обихода.

Лом и отходы металлов подразделяют на оборотные (перерабатываемые в местах их образования) и товарные, направляемые для переработки на другие предприятия. Переработка лома и отходов в местах их образования - главное направление их рационального использования. Однако объемы переработки лома и отходов в местах их формирования ограничиваются техническими и технологическими возможностями этих предприятий. В среднем доля отходов по вторичному алюминию составляет 75%, а доля амортизированного лома - 25% [3].

Роль вторичной переработки в алюминиевой промышленности очень важна. Переработка - критический компонент промышленности, учитывая ее вклад в сохранение окружающей среды и экономическую составляю­щую. Переработка экономит почти 95% электроэнергии, которую нужно затратить, чтобы произвести алюминий из первоисточника, бокситной руды.

С экономией алюминия тесно связаны мероприятия по сбору отходов и их переработке. В отечественной и зарубежной промышленности в настоящее время применяют несколько методов переработки отходов твердых сплавов, которые в большинстве своем характеризуются крупнотоннажностью, энергоемкостью, большими производственными площадями, малой производительностью, а также экологическими проблемами.

Для автомобильной промышленности наиболее перспективно примене­ние нанопорошков, полученных из отходов алюминия. Алюминиевый по­рошок часто используют для нанесения покрытий на стальные изделия, добавляют в лакокрасочные покрытия и в резиновые смеси при производ­стве автомобильных покрышек и т.д. [3].

Существует большое количество способов получения алюминиевых по­рошков, которые можно разделить на две основные группы.

Физико-химическим методам относят технологические процессы про­изводства порошков, связанные с глубокими физико-химическими пре­вращениями исходного сырья. В результате получаемый порошок по хи­мическому составу и структуре существенно отличается от исходного ма­териала.

Механические методы обеспечивают превращение исходного мате­риала в порошок без существенного изменения его химического состава. Чаще всего используют размол твердых материалов в мельницах различ­ных конструкций и диспергирование расплавов. К механическим методам получения порошков относится и грануляция расплава (образование по­рошка происходит при сливании расплавленного металла в жидкость). Од­нако получаемые частицы имеют размеры больше одного миллиметра (до 2-5 мм). С помощью этого метода получают гранулы таких металлов, как олово, свинец, цинк, висмут и пр.

Одним из перспективных методов получения порошка, практически из любого токопроводящего материала, в том числе и отходов алюминия, является метод электроэрозионного диспергирования ЭЭД, отличающийся относительно невысокими энергетическими затратами и экологической чистотой процесса [3].

В современных условиях про­изводство качественного литья определяется тех­нологией и культурой сбора и сортировки и подго­товки вторичного сырья к последующей перера­ботке. Поэтому технологический цикл переработ­ки алюминиевого лома и других отходов разделен на два основных этапа: дометаллургическая под­готовка сырья; металлургический передел. Эти основные этапы связаны друг с другом. Без каче­ственного проведения первого этапа неизбежны потери во втором.

На первом этапе производится сбор и сорти­ровка лома по классам и группам, что в дальней­шем упрощает управление технологией выплавки сплава нужного химического состава. Крупнога­баритный лом подвергается операции разделки с целью приведения его к соответствующей массе и размерам, пригодным для использования в име­ющихся плавильных печах. Данная операция про­изводится с использованием гильотинных ножниц, а также бензорезов, керосинорезов и автогенных аппаратов. Использование процесса шредирования цветного лома должно стать обязательной опе­рацией. Наряду с отделением магнитной составля­ющей шредерная установка позволяет добиться разделения лома с чистотой фракции 99%. Алю­миниевую ленту, полосу и фольгу целесообразно брикетировать. Для переработки упаковочных ма­териалов, отходов фольги, узлов промышленной и бытовой электроники, металлопластиковых ма­териалов и других необходимо использовать тех­нологии, исключающие термическое воздействие на перерабатываемые отходы [1].

Особое внимание уделяется подготовке струж­ки и других дисперсных окисленных отходов к плавке. Для этих целей необходимое оборудова­ние, как правило, объединяют в единый комплекс, где выполняют следующие операции: разделение сыпучей и вьюнообразной стружки, ее дробление, удаления масла и эмульсии, сушка стружки, удале­ние магнитной составляющей и сортировка по сплавам. Для удаления масла и эмульсии исполь­зуют промывку стружки, обработку сухим паром или центрифугирование.

Металлургический передел следует проводить только после дометаллургической подготовки сы­рья, так как иначе не избежать больших безвоз­вратных потерь металла. Подготовленные таким образом металлосодержащие шихтовые материа­лы направляют на плавку. Одной из задач перепла­ва вторичных материалов, т. е. рециклинга алюми­нийсодержащих отходов, является максимальное извлечение металла с обеспечением необходимых технических требований [1].

С целью определения степени извлечения ме­талла при плавке во многих странах наряду с ме­таллургическим выходом используют термин «ме­таллургическое восстановление», который опреде­ляют, как процент металла, полученный от метал­лического содержания отходов. Например, если засоренность отходов 10%, а произведенный ме­талл составляет 890 кг из 1 т металлической ших­ты, то металлургический выход составляет 89% (890/1000), при этом металлургическое восстанов­ление находится на уровне 98,9% (890/900). Во вторичной металлургии алюминия данные терми­ны имеют крайне важное значение. Это обстоя­тельство необходимо учитывать при переработке дисперсных отходов, имеющих высокое отноше­ние площади поверхности к объему или массе частиц. Более полное извлечение металла осущест­вляют путем правильного выбора технологии ме­таллургического передела и грамотного подбора флюса.

Для определения ме­таллургического выхода из стружки алюминия ре­комендуется использовать флюс из NaCl и KCl в соотношении 1:1. Однако применение этого флю­са на практике показало, что значительная часть ко­рольков металла находится во флюсе и затем удаля­ется вместе со шлаком. Известно, что двойной флюс в практике литейного производства используют толь­ко в качестве покровного, так как он хорошо смачива­ет расплав алюминия и его оксид. Следовательно, рекомендуемый ГОСТ 28053-89 флюс, определяю­щий металлургический выход алюминия из струж­ки, является неоптимальным.

Важно, чтобы в состав флюса входили компоненты, к которым оксиды и другие твердые включения, находящиеся в распла­ве, обладали бы высокой работой адгезии.

Как правило, в качестве одного из таких ком­понентов флюса используется криолит. Из теории металлургии алюминия следует, что криолит рас­творяет глинозем и имеет пониженные значения смачиваемости алюминия. Из практики литья алюминиевых сплавов известно, что криолит рас­творяет оксид алюминия, однако этот процесс до­статочно сложен. Количество растворенного окси­да алюминия составляет небольшую величину. Ра­финирующее действие флюса, содержащего крио­лит, определяется адсорбционными способностями Na₃AlF₆. Смачивающую и растворяющую роль флюса по отношению к А1₂O₃ повышает также CaF₂, который вводится в состав флюса, как пра­вило, в количестве 3-5% [1].

Важным техническим этапом переработки вто­ричных ресурсов является выбор плавильного агрегата, определяющий технологический регла­мент всего процесса рециклинга вторичных мате­риалов. Надежность технологии плавки, операций рафинирования, дегазации, фильтрования распла­ва в сочетании с оптимальной скоростью расплав­ления позволяют получать максимально положи­тельные результаты при переработке разнообразных шихтовых материалов. Учитывая необходимость обеспечения максимального металлургического выхода, приближающегося к металлургическому восстановлению и получения высокого качества выплавляемого сплава, плавку проводят дуплекспроцессом: плавильная печь - миксер. В пла­вильной печи должно осуществляться макси­мальное извлечение металла из шихты. Миксер используется для доводки сплавов до требуемых параметров согласно существующим ГОСТ на отливки.

Плавку вторичных алюминиевых материалов проводят в стационарных камерных печах с элек­тро- или газовым обогревом, индукционных ти­гельных печах, стационарных печах с МГД-устройствами и установками типа «LOTUS» для механи­ческой загрузки шихтовых материалов под зеркало металла, роторных печах с горизонтальной и наклонной осью вращения.

В передовых европейских странах широкое распространение получили роторные (барабан­ные) плавильные печи с наклонной осью враще­ния для переработки отходов цветных металлов в качестве первичных плавильных агрегатов.

Вследствие вращения корпуса печи дисперс­ные отходы алюминия практически сразу после загрузки покрываются слоем жидкого металла и флюса, что позволяет минимизировать безвоз­вратные потери сплава. В Республике Беларусь пер­вой была запущена и по настоящее время успешно работает короткопламенная роторная печь, создан­ная специалистами ООО «НПФ Металлон» (г. Осиповичи) [1].

Эффективность процесса переработки алюминийсодержащих вторичных материалов в ротор­ных печах обеспечивается возможностью управ­лять механизмом шлакообразования, растворения оксидной плены, каплеобразования алюминиевого сплава, т. е. способностью максимально прибли­зить металлургический выход к металлургическо­му восстановлению. Основная роль в этих процес­сах - правильный выбор флюса. Для увеличения металлургического выхода при плавке необходимо подобрать компонентный состав флюса таким об­разом, чтобы при взаимодействии с расплавом он переходил в жидкое состояние, а затем продукты реакции становились сыпучими, свободными от капелек металла и легкоскачиваемыми с зеркала жидкого сплава.

Для осуществления операции обработки распла­ва либо создают участки по приготовлению флюсов (рафинирующих, покровных, модифицирующих и т. д.), либо приобретают необходимые препараты у специализированных производителей, таких, как научно-производственное предприятие ОДО «Эвтек­тика» (г. Минск), выпускающее высокоэффективные материалы, более 40 наименований флюсов, таблетированных препаратов, технологических покрытий, смазок, красок, модификаторов и т. д., которые по­требляются ведущими заводами Российской Феде­рации, Украины, Беларуси и дальнего зарубежья.

Исследования протекания встречных химиче­ских реакции при обработке расплава алюминия различными рафинирующими веществами позво­лили определить оптимальный компонентный со­став соединений для создания флюсовой компози­ции. Вместе с тем, учитывая способность криолита увеличивать вязкость флюса, а также провоциро­вать самовозгорание шлаковой фазы, в компонент­ный состав флюсовой композиции вводили ве­щества, стабилизирующие его негативные факторы.

Практическая отработка технологического ре­гламента плавки в роторной печи и флюсовая об­работка расплава проводились в рамках сотрудни­чества с одним из известнейших производителей в Западной Европе качественных вторичных алю­миниевых сплавов METALL WERKE BENDER (Германия) и предприятием в поселке Алексеевка Самарской обл., входящим в компанию «РУСАЛ» (Россия) [1].

Постоянно растущие цены на энергоносители вместе с ужесточающимися положениями о защите окружающей среды явля­ются движущей силой для разработки современных технологий рециклинга отходов алюминия. Поэтому разработка безотходной технологии рециклинга стружки и шлаков алюминиевых сплавов является актуальной и представляет научный, практический и эко­номический интерес. В настоящее время во многих странах прио­ритетными в государственной промышленной политике становятся малоотходные и безотходные технологии, чистые технологические процессы и промышленные производства, обеспечивающие ком­плексное использование всех видов сырья [5].